【正文】 水溫控制課程總結(jié) 題目：基于 STC90C516 單片機(jī) 的 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 年 級(jí)： 2021 級(jí) 指導(dǎo)教師： 成 員： 2021 年 05 月 摘 要 本設(shè)計(jì)采用 的主控芯片是 STC90C516 單片機(jī)，數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 本設(shè)計(jì)用數(shù)字傳感器 DS18B20 測(cè)量溫度，測(cè)量精度高，傳感器體積小，使用方便。所以本次設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活中都有廣泛的應(yīng)用。 單片機(jī)技術(shù)已經(jīng) 廣泛應(yīng)用社會(huì)生活的 各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種 非常實(shí)用的技術(shù) 。 51 單片機(jī)是最常用的一種單片機(jī)，而且在高校中都以 51 單片機(jī)教材為藍(lán)本，這使得 51 單片機(jī)成為初學(xué)單片機(jī)技術(shù)人員的首選。本次設(shè)計(jì)采用的STC90C516 是一種 flash 型單片機(jī)，可以直接在線編程，向單片機(jī)中寫(xiě)程序變得更加容易。 本 次設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)采用的是 DS18B20 數(shù)字 溫度傳感器 ， DS18B20是一種可組網(wǎng)的高精度數(shù)字式溫度傳感器，由于其具有單總線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以使用戶輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點(diǎn)溫度測(cè)量電路變得簡(jiǎn)單、可靠。 本設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先設(shè)計(jì)了硬件電路，然后繪制軟件流程圖及編寫(xiě)程序。 本設(shè)計(jì) 屬于 一種 多功能溫度計(jì)， 溫度測(cè)量范圍是 55℃到 125℃。溫度值的分辨率可以被用戶設(shè)定為 912 位， 可以設(shè)置上下 限 報(bào)警溫度，當(dāng)溫度不在設(shè)定的 范圍內(nèi)時(shí)， 就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序報(bào)警。本設(shè)計(jì)的顯示模塊是用四位一體的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示實(shí)現(xiàn)的。在顯示實(shí)時(shí)測(cè)量溫度的模式下還可以通過(guò)查詢按鍵查看設(shè)定的上下限報(bào)警溫度。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 、數(shù)字 溫度計(jì) 、 DS18B STC90C516 目 錄 …………………………………… 3 設(shè)計(jì)要求 …………………………………………………… … 3 各模塊選擇與論證 ……………………………………………… 3 …………………………………… 6 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì)框圖 ……………………………………………… 6 系統(tǒng)硬件概述 …………………………………………………… 6 主要單元電路的設(shè)計(jì) …………………………………………… 7 …………………………………………………… 14 DS18B20 程序設(shè)計(jì) ……………………………………………… 14 顯示程序設(shè)計(jì) …………………………………………………… 18 按鍵程序設(shè)計(jì) …………………………………………………… 19 …………………………………………………… 20 硬件測(cè)試 ………………………………………………………… 20 軟件測(cè)試 ………………………………………………………… 20 測(cè)試結(jié)果結(jié)論 …………………………………………………… 20 ……………………………………………………… 21 參 考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 22 附錄 1：原理圖和實(shí)物圖 ……………………………………… 23 附錄 2：程序 …………………………………………………… 29 設(shè)計(jì)要求： （１）基本要求 ① 具有實(shí)時(shí)獲取水溫功能； ② 能夠自動(dòng)判斷實(shí)際溫度是否達(dá)到限值，并自動(dòng)報(bào)警控制繼電器； ( 2 ) 創(chuàng)新要求 ① 用戶能夠通過(guò)按鍵根據(jù)自己情況設(shè)置限值并保存起來(lái)； 各模塊選擇與論證 控制模塊 本設(shè)計(jì)采用 STC90C516 芯片作為硬件核心，該芯片采用 Flash ROM，內(nèi)部具有 8KB ROM 存儲(chǔ)空間，相對(duì)于本設(shè)計(jì)而言程序存儲(chǔ)空間完全夠用。 89C52 是INTEL 公司 MCS51 系列 單片機(jī) 中基本的產(chǎn)品，它采用 ATMEL 公司可靠的 CMOS 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 的 HCMOS 產(chǎn)品。它結(jié)合了CMOS 的高速和高密度技術(shù)及 CMOS 的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和 指令 系統(tǒng)，屬于 89C51 增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成了時(shí)鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬 達(dá)控制等應(yīng)用場(chǎng)合。 89C52 內(nèi)置 8 位中央 處理單元、 512 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 RAM、 8k 片內(nèi) 程序 存儲(chǔ)器（ ROM） 32 個(gè)雙向輸入 /輸出 (I/O)口、 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器和 5 個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工 串行通信 口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。此外， 89C52 還可工作于低功耗模式，可通過(guò)兩種 軟件 選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時(shí)器 、 串行口和 中斷 系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存 RAM 數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。 STC90C516 有 PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)兩種封裝形式。 方案一： 采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較合適，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi)，成本較高，所以不采用該方案。 方案二： 采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示， LED 數(shù)碼管價(jià)格適中，而卻對(duì)于顯示數(shù)字比較合適，控制方式簡(jiǎn)單，電路只需添加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)顯示。 方案三： 采用 LCD1602 液晶顯示屏，液晶顯示功能強(qiáng)大，可以顯示 2*16 個(gè)字母或數(shù)字或者自定義字符，價(jià)格也比較合理，需要的接口只需要 9 根就可以完成。成本相對(duì)比較高，對(duì)于本設(shè) 計(jì)顯示內(nèi)容的不多采用該方案顯得有點(diǎn)大材小用。 因此綜合上述最終決定采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描方式作為顯示 。 模塊選擇與論證 方案一： 使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個(gè)相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個(gè)電阻變化的分壓值，并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。此設(shè)計(jì)方案需用 A/D 轉(zhuǎn)換電路，增加硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴(yán)格線性的，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。 方案二： 采用模擬溫度傳感器 AD590，該傳感器的輸出電流會(huì)隨溫度的變化而變化，從而需要設(shè)計(jì)電路轉(zhuǎn)換成電壓的變化，進(jìn)而通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后接到單片機(jī)中，這種方法固然麻煩，而卻費(fèi)用比較高，而卻在電流電壓轉(zhuǎn)換和 A/D 轉(zhuǎn)換中會(huì)產(chǎn)生誤差。 方案三： 采用數(shù)字式防水型溫度傳感器 DS18B20，此類傳感器為數(shù)字式傳感器而且僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，易于與單片機(jī)連接，可以去除 A/D 模塊，降低硬件成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路。另外，數(shù)字式溫度傳感器還具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。 所以最終我們采用數(shù)字防水型 DS18B20 作為溫度采集芯片。 編程語(yǔ)言的選擇和論證 對(duì)于指令系統(tǒng)兼容 MCS51 系列的單片機(jī)，其較為常用的編程語(yǔ)言有 C 和匯編語(yǔ)言。 C 語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言，可產(chǎn)生壓縮代碼。 C 語(yǔ)言在硬件結(jié)構(gòu)上僅要求對(duì)單片機(jī)存儲(chǔ)器等硬件結(jié)構(gòu)有初步了解，寄存器分配，不同存儲(chǔ)器尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理。 C 語(yǔ)言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可以在不同種類的單片機(jī)之間相互移植。程序可劃分為不同函數(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，可讀性強(qiáng)。 C 語(yǔ)言提供的庫(kù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。 C 語(yǔ)言作為一種方便、容易掌握的語(yǔ)言得到了 廣泛的應(yīng)用，是目前單片機(jī)編程中應(yīng)用最多的語(yǔ)言之一。 匯編語(yǔ)言同樣在單片機(jī)編程中得到了廣泛的應(yīng)用，其具有簡(jiǎn)單實(shí)用，控制靈活，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，程序效率高等特點(diǎn)。匯編語(yǔ)言有著極強(qiáng)的硬件控制能力，用其它的高級(jí)語(yǔ)言所無(wú)法控制的軟硬件細(xì)節(jié)，在匯編語(yǔ)言中都可以實(shí)現(xiàn)，但是編程復(fù)雜。綜合考慮，軟件的設(shè)計(jì)語(yǔ)言選擇 C 語(yǔ)言。 調(diào)節(jié)模塊介紹 調(diào)節(jié)模塊是由四個(gè)按鍵接地后直接接單片機(jī)的 I/O 口完成的。當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)單片機(jī)管腳相當(dāng)于懸空，默認(rèn)下為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)相當(dāng)于把單片機(jī)的管腳直接接地，此時(shí)為低電平。程序設(shè)計(jì)為低電平觸發(fā) 。 繼電器模塊介紹 繼電器模塊是由由一個(gè) NPN 型的三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸入低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，從而控制外圍器件。 報(bào)警模塊介紹 報(bào)警模塊是由一個(gè) NPN 型的三極管 8550 驅(qū)動(dòng)的 5V 蜂鳴器，和一個(gè)加一限流電阻的發(fā)光二極管組成的。報(bào)警時(shí)蜂鳴器間歇性報(bào)警，發(fā)光二極管閃爍。 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì)框圖 由于 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器具有單總線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以使用戶輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點(diǎn)溫度測(cè)量電路變得簡(jiǎn)單、可靠，所以在該設(shè)計(jì)中采用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器測(cè)量溫度。 溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 21 所示，控制器采用單片機(jī)STC90C516，溫度傳感器采用 DS18B20，顯示采用 4 位 LED 數(shù)碼管，報(bào)警采用蜂鳴器、 LED 燈實(shí)現(xiàn)，按鍵用來(lái)設(shè)定報(bào)警上下限溫度并將設(shè)置好的值保存在STC90C516 的 EEPROM 中（具有掉電保護(hù)功能）。 圖 21 溫度計(jì)電路總體設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)硬件概述 本 系統(tǒng) 所 設(shè)計(jì) 的數(shù)字溫度計(jì) 采用的是 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫，DS18B20 直接輸出的就是數(shù)字信號(hào)， 與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確 ，上下限報(bào)警功能。 其輸出溫度采用 LED 數(shù)碼管 顯示，主要用于對(duì)測(cè)溫比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所 。 該設(shè)計(jì)控制器使用 的是 51 單片機(jī) STC90C516， STC90C516 單片機(jī)在工控、測(cè)量、儀器儀表中應(yīng)用還是比較廣泛的。 測(cè)溫傳感器使用 的是 DS18B20， DS18B20是一種可組網(wǎng)的高精度數(shù)字式溫度傳感器，由于其具有單總線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以使用戶輕松地組建起傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可使多點(diǎn)溫度測(cè)量電路變得簡(jiǎn)單、可靠。顯示是 用 4 位共 陰 極 LED 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)溫度顯示 ， LED 數(shù)碼管 的優(yōu)點(diǎn)是顯示數(shù)字比較大，查看方便。蜂鳴器用來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)設(shè)定的上下限時(shí)的報(bào)警功能。 主要單元電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)主控制模塊的設(shè)計(jì) STC90C516 單片機(jī)為 40 引腳雙列直插芯片 ,有四個(gè) I/O 口 P0,P1,P2,P3, MCS51 單片機(jī)共有 4 個(gè) 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3），每一條 I/O 線都能獨(dú)立地作輸出或輸入。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下圖所示 ,18引腳和 19引腳接時(shí)鐘電路 ,XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端 ,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入 ,XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端 ,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出 .第 9 引腳為復(fù)位輸入端 ,接上電容 ,電阻及開(kāi)關(guān)后夠上電復(fù)位電路 ,20引腳為接地端 ,40引腳為電STC90C516 主控芯片 數(shù)碼管顯示 蜂鳴器報(bào)警 LED 燈提示 DS18B20 溫度采集 按鍵調(diào)節(jié)限值 源端 . 如圖 2 所示 412MHz330pF530pF123456789JP1排阻VCCRSTVCC12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U2STC89C52TXRXSW2復(fù)位按鍵110μF210KVCCRSTP20abcdefgdpP21P22P23P16P13P10P34P37P35 圖 2 主 控制系統(tǒng) DS18B20 電路設(shè)計(jì) 如圖 3 所示。采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，它是數(shù)字式溫度傳感器，具有測(cè)量精度高，電路連接簡(jiǎn)單特點(diǎn)，此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用Ｐ 與 DS18B20 的 I/O 口連接加一個(gè)上拉電阻 ,Vcc 接電源 ,Vss 接地。 10KR1VCCP04GND1I/O2VCC3Q1DS18B20 圖 3 DS18B20 溫度采集 DS18B20 溫度傳感器是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 DS18B20 的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；多個(gè) DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；無(wú)須外部器件；可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ；零待機(jī)功耗；溫度以 9 或 12 位 二進(jìn)制 數(shù)字 表